无人旋翼飞行器自适应飞行控制系统设计

【摘 要】无人旋翼飞行器是目前国际上应用比较广泛的侦查设备，其主要特点就是可以实现人员的远程操控，保证了人员的安全，而且无人旋翼飞行器一般体积较小，重量偏轻，具有较好的机动性。想要保证飞行器在不同气候、地形等条件下完成既定任务，就必须对飞行器的飞行控制系统做出调整。本文即是对无人旋翼飞行器自适应飞行控制系统的相关设计方案进行的分析，最后通过实验对分析进行实际研究，证明了本次分析设计的飞行控制系统具有较好的自适应性和鲁棒性，能够充分实现飞行器在空中的各类动作，并且可以有效稳定飞行器空中姿态，提高了控制人员的可操作性。

【关键词】无人飞行器 自适应控制 设计 实验

无人飞行器是目前较为先进的无人侦查设备之一，具有较好的机动性，体重较轻，能够高速飞行，适合未来战场上的侦查工作。目前世界上的飞行器主要以无人旋翼飞行器为主，其根据螺旋桨的个数或螺旋桨轴的个数进行分类，可以实现高难度的空中动作，如翻滚、直停、侧飞、垂直升降等，在继承直升机等机型优点的基础上，加入了一些更加先进的技术。

一、自适应飞行控制律的设计

（一）模型逆

自适应控制系统最早是被应用在航天航空领域，提出这一理念是因为当飞行设备在外部环境下进行飞行的过程中会遇到各类外界因素的影响。这些因素都会影响飞行装置的稳定性，对飞行器的飞行高度和速度造成一定的影响。目前想要获得无人旋翼飞行器的精确公式还有一定困难，通常情况下均是采用经验对相关数据进行估计，或实验中所得出的平均参数，因此这类计算方法存在一定的误差性。其误差可以用：来进行表示。其代表飞行器系统的实际动态情况和预估动态情况之间的差异，这种误差可以通过控制器逆误差来进行补偿。

（二）模型逆误差动态特性

以三轴无人飞行器为例，其控制回路的设计模型一般上是用二阶稳定模型来进行表示，其指令向量的公式为：。而飞行器在飞行过程中所收到的角加速度影响向量的公式则为：，用来表示神经网络中计算数据所需要的输出量，以此来对模型的逆差进行补偿。

由上图中可以看出，在对控制无人飞行器姿态的系统进行设计时，其模型逆控制器输出值的伪控制量一般利用：来表示，其中来表示，是模型的跟踪误差。代表无人飞行器控制器的输出，可以用来抵消模型所产生的误差。当无人飞行器控制器的输出量能够完全抵消掉误差，则上述公式即转化为无固定控制量的方程，其动态误差呈现收敛性，并且矩阵A对其起到了决定性的影响作用。如果可以有效保证、的正确性，则就会使无人飞行器整体系统趋于稳定，其所产生的误差就会缩小，并且误差趋势也会有所收敛。

（三）模型逆误差神经网络补償

神经网络是自适应系统中比较重要的组成部分，其使得自适应系统具备了自学习和自适应属性，因此，这一组成部分可以有效帮助整个系统对模型带来的误差进行补偿。以但隐层神经网络为例，以具体构成图如下：

在这一系统中，其隐含的层节点激活函数一般是以S型函数进行表达的，其具体可列为：。而输出层节点则与隐含层节点存在不同的表达方式，其主要是以线性函数进行表单，具体可以列为：

。其中代表输入层的节点数，代表隐含层的节点数，而则代表输出层的节点数，代表输入层的偏置量，而则表示隐含层的偏置量，表示隐含层的阈值，而则表示输出层的阈值。其中和均不能是负数。

为了保证系统在实际操作阶段不出现较大波动的变化，稳定操作量的输出，可以对神经网络输出值进行有效地计算，其是以增加高增益鲁棒项为标准的，具体为：，其中，。

（四）神经网络权系数自主学习的算法

神经网络的在线学习能力也是整个系统自适应的一种表现，其主要是由于非线性函数使得该系统能够无限接近自主学习特性。所有的参考模型信号有界，而神经网络的权系数计算公式则可以表示为：

二、无人旋翼飞行器控制系统实验

在控制系统设计并安装完毕后，需要对整个系统进行实际操作测试，如果条件允许的情况下可以先制作出样机进行测试；而如果条件不允许的情况下则可以利用Simulink工具对其进行仿真模拟测试。主要测试的项目包括无人旋翼飞行器的水平垂直升降的稳定性和控制器对其的操作性能，还要验证飞行器在飞行过程中悬停、侧飞、翻滚、复位等动作的稳定性和控制性的可操作性。利用计算机程序对飞行器飞行轨迹进行计算，分析其飞行姿态和动作轨迹是否能够与控制器保持一致。

无人旋翼飞行器是目前较为先进的飞行技术，其打破了传统飞行器设计理念，结合目前最为先进的科学技术，对未来飞行设备的发展有着巨大的影响。

参考文献：

【1】夏青元，徐锦法.变转速共轴旋翼载荷建模及实验验证[J].实验力学，2012.

作者简介：周如磊（1983·8）男；民族：汉族；籍贯：安徽省霍邱县人；2008年毕业于中国民航大学，飞行器动力工程系；现供职中国东方航空股份有限公司；职称：助理工程师；学位：学士；研究方向：飞行器动力工程。